DE102007037333A1

DE102007037333A1 - Betätigungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102007037333A1
Application number: DE102007037333A
Authority: DE
Inventors: Markus Dipl.-Ing. Lengfeld; Jens Dr.-Ing. Meintschel; Thomas Dipl.-Ing. Stolk; Martin Dr. rer. nat. Ströer; Alexander Von Dipl.-Ing. Gaisberg-Helfenberg
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-08-08
Filing date: 2007-08-08
Publication date: 2009-02-26
Also published as: WO2009018919A1; EP2176525A1; CN101772624B; US8235011B2; US20100180850A1; JP5216089B2; CN101772624A; JP2010535962A; EP2176525B1

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Betätigungsvorrichtung mit wenigstens einer elektrischen und/oder elektromagnetischen Betätigungseinheit (10). Es wird vorgeschlagen, dass wenigstens zwei von unterschiedlichen Betätigungselementen (12, 14) der Betätigungseinheit (10) ausgeführte Betätigungsvorgänge zumindest zwei unterschiedlichen elektrischen und/oder elektromagnetischen Zuständen der Betätigungseinheit (10) zugeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Betätigungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE 102 11 395 A1 ist eine Betätigungsvorrichtung bekannt, bei welcher aufgrund eines Bestromens einer Spule ein Betätigungsvorgang eines Betätigungselements ausgeführt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit Hilfe einer Betätigungseinheit unter Einsparung von Bauraum, Bauelementen und Kosten bei einer zuverlässigen Funktionsweise Betätigungsvorgänge mehrerer Betätigungselemente auszuführen. Die Aufgabe wird jeweils gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche, wobei weitere Ausgestaltungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.
Die Erfindung geht aus von einer Betätigungsvorrichtung mit wenigstens einer elektrischen und/oder elektromagnetischen Betätigungseinheit.
Es wird vorgeschlagen, dass wenigstens zwei von unterschiedlichen Betätigungselementen der Betätigungseinheit ausgeführte Betätigungsvorgänge zumindest zwei unterschiedlichen elektrischen und/oder elektromagnetischen Zuständen der Betätigungseinheit zugeordnet sind. Unter einer „elektrischen und/oder elektromagnetischen Betätigungseinheit" soll insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche aufgrund wenigstens eines elektrischen und/oder elektromagnetischen Vorgangs zumindest einen Betätigungsvorgang ausführt. Unter einem „Betätigungsvorgang" soll im Besonderen ein Vorgang verstanden werden, bei welchem eine Einheit und/oder ein Element relativ zu einer weiteren Einheit und/oder einem weiteren Element bewegt wird. Unter einem „Betätigungselement" soll im Besonderen ein Element verstanden werden, welches bei einem Betätigungsvorgang beteiligt ist. Unter einem elektrischen und/oder elektromagnetischen „Zustand" sollen insbesondere Werte einer Stromdichtevektorkomponente und/oder eines elektromagnetischen Feldstärketensors und/oder einer Ladungsdichte innerhalb der Betätigungsvorrichtung und insbesondere an den restlichen Raumpunkten in Verbindung mit den zu den Werten gehörenden Raumkoordinaten verstanden werden. Darunter, dass ein Betätigungsvorgang einem Betätigungselement „zugeordnet" ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Betätigungselement an dem Betätigungsvorgang beteiligt ist. Darunter, dass „zwei Betätigungsvorgänge zwei Betätigungselementen zugeordnet" sind, soll insbesondere verstanden werden, dass jeweils ein Betätigungsvorgang jeweils einem Betätigungselement zugeordnet ist. Unter „unterschiedlichen" elektrischen und/oder elektromagnetischen Zuständen sollen insbesondere Zustände verstanden werden, welche darin verschieden sind, dass wenigstens eine Komponente des Stromdichtevektors und/oder des elektromagnetischen Feldstärketensors und/oder der Ladungsdichte an einem Raumpunkt unterschiedliche Vorzeichen aufweisen. Mit einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann die Betätigungseinheit kompakt ausgebildet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Betätigungsvorgänge unterschiedlichen Stromflussrichtungen zugeordnet, die unterschiedliche elektrische Zustände im oben genannten Sinne darstellen. Unter einer „Stromflussrichtung" soll insbesondere eine Richtung eines Stromflusses verstanden werden. Hiermit kann ein elektrisches und/oder elektromagnetisches Bauelement, welches insbesondere eine Spule und/oder eine Spuleneinheit sein kann, eingespart werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Betätigungseinheit wenigstens eine Spuleneinheit aufweist, die zur Bestromung mit unterschiedlichen Stromflussrichtungen vorgesehen ist. Unter „vorgesehen" soll insbesondere speziell ausgestattet und/oder ausgelegt verstanden werden. Mit einer entsprechenden erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann eine einfache Konstruktion der Betätigungseinheit erreicht werden.
Mit Vorteil weist die Betätigungseinheit wenigstens eine Beschleunigungseinheit auf, welche dazu vorgesehen ist, wenigstens eines der Betätigungselemente zu beschleunigen. Unter einer „Beschleunigung eines Betätigungselements" soll insbesondere eine Beschleunigung des Betätigungselements relativ zu wenigstens einem Teil der Beschleunigungseinheit und/oder relativ zu wenigstens einem Teil der Betätigungseinheit, welche insbesondere eine Spule sein kann, verstanden werden. Mit einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann ein Betätigungsvorgang schnell ausgeführt werden.
Außerdem wird vorgeschlagen, dass die Beschleunigungseinheit mit einer Spuleneinheit der Betätigungseinheit zumindest teilweise identisch ist. Hiermit kann ein einfacher Ablauf eines Betätigungsvorgangs erreicht werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist wenigstens eines der Betätigungselemente ein aktives magnetisches Element auf. Unter einem „aktiven magnetischen Element" soll insbesondere sowohl ein elektromagnetisches Element als auch ein Permanentmagnet verstanden werden. Damit können Betätigungsvorgänge unterschiedlicher Betätigungselemente auf einfache Weise in Gang gesetzt werden.
Vorzugsweise sind wenigstens zwei der Betätigungsvorgänge identischen Betätigungsrichtungen zugeordnet, wobei die identischen Betätigungsrichtungen zugeordneten Betätigungsvorgänge zwei unterschiedlichen der Betätigungselemente zugeordnet sind. Unter einer „Betätigungsrichtung" soll insbesondere eine Richtung verstanden werden, in welche ein Betätigungselement bei einem Betätigungsvorgang relativ zu Teilen der Betätigungseinheit und/oder der Spuleneinheit bewegt wird und besonders vorteilhaft von der Spuleneinheit bewegt wird. Mit einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung können Betätigungsvorgänge in voneinander beabstandeten Raumbereichen ausgeführt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Betätigungseinheit zumindest ein magnetisches, elektrisches und/oder elektromagnetisches Stabilisierungselement, welches dazu vorgesehen ist, ein Verbleiben wenigstens eines der Betätigungselemente in zumindest einer stabilen Position zu bewirken. Hiermit kann insbesondere ein Betätigungsvorgang zeitlich ausgedehnt werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Betätigungseinheit ein aktives magnetisches Element aufweist, welches wenigstens teilweise mit dem Stabilisierungselement identisch ist. Damit kann eine besonders einfache Konstruktion eines Betätigungselements erreicht werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Betätigungseinheit eine Sicherungseinheit auf, welche dazu vorgesehen ist, zu einem Betriebszeitpunkt ausschließlich einem der Betätigungselemente einen der Betätigungsvorgänge zu erlauben. Damit kann insbesondere ein bei simultanen Betätigungsvorgängen mögliches Zerstören wenigstens eines Betätigungselements und/oder eines durch ein Betätigungselement betätigten Bauelements verhindert werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Betätigungseinheit wenigstens eine Spuleneinheit und wenigstens ein aktives magnetisches Element aufweist, welche zusammen wenigstens teilweise die Sicherungseinheit bilden. Hiermit kann bei einer Gewährleistung einer sicheren Betriebsweise eine einfache Konstruktion erreicht werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Betätigungseinheit wenigstens ein mechanisches, pneumatisches und/oder hydraulisches Energiespeicherelement auf, welches dazu vorgesehen ist, bei einem Betätigungsvorgang wenigstens ein Betätigungselement zu beschleunigen. Mit einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann eine effiziente Verwendung frei werdender Energie erreicht werden.
Die erfindungsgemäße Betätigungsvorrichtung eignet sich für verschiedene, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Einsatzgebiete, besonders vorteilhaft bildet die Betätigungsvorrichtung jedoch eine Brennkraftmaschinenbetätigungsvorrichtung, und zwar insbesondere für eine Ventiltriebumschalteinheit.
Dabei zeigen:
1 einen Schnitt durch eine Betätigungsvorrichtung,
2 eine Draufsicht auf die Betätigungsvorrichtung,
3 einen Schnitt durch die Betätigungsvorrichtung und
4 einen Schnitt durch die Betätigungsvorrichtung.
1 zeigt einen Schnitt durch eine Betätigungsvorrichtung mit einer elektrischen und elektromagnetischen Betätigungseinheit 10. Die Betätigungseinheit 10 weist zwei Betätigungselemente 12, 14 auf. Die Betätigungselemente 12, 14 weisen jeweils eine Haupterstreckungsrichtung auf, wobei die beiden Haupterstreckungsrichtungen miteinander identisch sind. Die Betätigungselemente 12, 14 weisen an jeweils einem Ende ein aktives magnetisches Element 20, 21 auf, welches als Permanentmagnet ausgebildet ist. Die beiden Enden der aktiven Elemente 20, 21 sind einander zugewandt. Eine Verlängerung eines Südpols 36 zu einem Nordpol 38 des aktiven Elements 20 weist in dieselbe Richtung wie eine Verlängerung eines Nordpols 42 zu einem Südpol 40 des aktiven Elements 21, weshalb die beiden aktiven Elemente 20, 21 entgegengesetzt gepolt sind. Die aktiven Elemente 20, 21 besitzen jeweils die Form eines geraden Hohlzylinders. Grund- und Deckflächen der Hohlzylinder sind senkrecht zu den Haupterstreckungsrichtungen. Die Grundflächen der als Hohlzylinder ausgebildeten aktiven Elemente 20, 21 befinden sich in einer gemeinsamen Ebene. Diese Ebene schneidet eine Spuleneinheit 16, welche eine Spule 17 (3) aufweist. Die Spuleneinheit 16 wird ferner von einer Mittelsenkrechten zu zwei Massenmittelpunkten der aktiven Elemente 20, 21, welche parallel zu den Grundflächen ist, geschnitten. Die Spuleneinheit 16 ist neben den aktiven Elementen 20, 21 derart angeordnet, dass mittels eines durch die Spule 17 erzeugten Magnetfelds Kräfte auf die aktiven Elemente 20, 21 ausübbar sind.
Die Betätigungselemente 12, 14 besitzen identische Betätigungsrichtungen 22, 24, welche parallel zu ihrer Haupterstreckungsrichtung und von den aktiven Elementen 20, 21 jeweils zu einem gegenüberliegenden Ende der aktiven Elemente 20, 21 verlaufen. Bei einer Bestromung der Spule 17 (3) in einer Stromflussrichtung wird eines der Betätigungselemente 12, 14 relativ zu der Spuleneinheit 16 beschleunigt. Die Betätigungseinheit 10 umfasst somit eine Beschleunigungseinheit 18, welche teilweise mit der Spuleneinheit 16 identisch ist. Wird die Spule 17 (3) in einer der Stromflussrichtung entgegengesetzten Stromflussrichtung bestromt, so wird aufgrund der entgegengesetzten Polung der aktiven Elemente 20, 21 das andere Betätigungselemente 12, 14 relativ zu der Spuleneinheit 16 beschleunigt. Eine Bewegung eines der Betätigungselemente 12, 14 relativ zu der Spuleneinheit 16 in die Betätigungsrichtungen 22, 24 ist ein Betätigungsvorgang, welcher dem sich bewegenden Betätigungselement 12, 14 zugeordnet ist. Da die Betätigungselemente 12, 14 mittels unterschiedlicher Stromflussrichtungen beschleunigt werden, sind die Betätigungsvorgänge unterschiedlichen Stromflussrichtungen zugeordnet. Eine Stromflussrichtung stellt einen elektrischen und elektromagnetischen Zustand der Betätigungseinheit 10 dar. Demzufolge sind zwei von den unterschiedlichen Betätigungselementen 12, 14 der Betätigungseinheit 10 ausgeführte Betätigungsvorgänge zumindest zwei der unterschiedlichen elektrischen und elektromagnetischen Zustände der Betätigungseinheit 10 zugeordnet. Einer der Betätigungsvorgänge, welcher von einem der Betätigungselemente 12, 14 ausgeführt wird, ist diesem Betätigungselement 12, 14 zugeordnet. Die beiden Betätigungselemente 12, 14 führen die ihnen zugeordneten Betätigungsvorgänge in dieselbe Betätigungsrichtung 22, 24 aus. Demzufolge sind wenigstens zwei der Betätigungsvorgänge den identischen Betätigungsrichtungen 22, 24 zugeordnet, wobei die identischen Betätigungsrichtungen 22, 24 zugeordneten Betätigungsvorgänge zwei unterschiedlichen der Betätigungselemente 12, 14 zugeordnet sind.
Ferner umfasst die Betätigungseinheit 10 zwei magnetische, elektrische und elektromagnetische Stabilisierungselemente 26, 27. Die Stabilisierungselemente 26 bzw. 27 sind dazu vorgesehen, ein Verbleiben der Betätigungselemente 12 bzw. 14 in zumindest einer stabilen Position 28 bzw. 29 zu bewirken. Die Stabilisierungselemente 26 bzw. 27 sind mit den aktiven Elementen 20, 21 identisch. Eine Bewegung der Betätigungselemente 12, 14 relativ zu der Spuleneinheit 16 ist in die Betätigungsrichtung 22 durch Oberflächen einer Umhüllungseinheit 46 begrenzt. Die Umhüllungseinheit 46 umhüllt die Betätigungselemente 12, 14. Da die Oberflächen zumindest teilweise aus einem Material gebildet sind, welches eine Kraft auf einen Permanentmagneten ausüben kann, werden die aktiven Elemente 20, 21 von den Oberflächen und einem darunter liegenden Material angezogen und so in einer stabilen Position 34 (4) gehalten. Ferner wird eine Bewegung einer der Betätigungselemente 12, 14 in die Gegenrichtung der Betätigungsrichtung 22 durch eine Halteeinheit 44 begrenzt, welche mit der Spuleneinheit 16 verbunden ist. Da die Halteeinheit 44 zumindest teilweise aus einem Material gebildet ist, welches eine Kraft auf einen Permanentmagneten ausüben kann, bewirkt das Stabilisierungselement 26, 27 mittels einer auf dieses von der Halteeinheit 44 ausgeübten Kraft ein Verbleiben des Betätigungselements 12, 14 in der maximal in die Gegenrichtung der Betätigungsrichtung 22 ausgelenkten stabilen Position 28, 29.
Nach einem Betätigungsvorgang eines der Betätigungselemente 12, 14 wird das betreffende Betätigungselement 12, 14 wieder in die stabile Position 28 bzw. 29 zurückbewegt. Danach findet eine Bestromung der Spule (3) mit einer Stromdurchflussrichtung statt, welche der Stromdurchflussrichtung entgegengesetzt ist, welche zu einem Beschleunigen des Betätigungselements 12, 14 verwendet wurde. Die Betätigungseinheit 10 weist daher eine Sicherungseinheit 30 in Form der Spule 17 (3) und der aktiven Elemente 20, 21 auf, welche dazu vorgesehen ist, zu einem Betriebszeitpunkt ausschließlich einem der Betätigungselemente 12, 14 einen der Betätigungsvorgänge zu erlauben.
Außerdem weist die Betätigungseinheit 10 zwei als Schraubenfedern ausgebildete mechanische Energiespeicherelemente 32, 33 auf, welche dazu vorgesehen sind, bei den Betätigungsvorgängen die Betätigungselemente 12, 14 relativ zu der Spuleneinheit zu beschleunigen. Die Schraubenfedern sind zwischen den Betätigungselementen 12, 14 und der Halteeinheit 44 angeordnet und befinden sich, wenn sich die Betätigungselemente 12, 14 in den stabilen Positionen 28, 29 befinden, in komprimiertem Zustand. Bei einem Betätigungsvorgang dekomprimiert eines der Energiespeicherelemente 32, 33 und beschleunigt eines der Betätigungselemente 12, 14.
2 zeigt eine Draufsicht von oben auf eine Betätigungsvorrichtung in die Betätigungsrichtung 22. Die Halteeinheit 44 verdeckt teilweise die Spuleneinheit 16, die Umhüllungseinheit 46 und die Betätigungselemente 12, 14. Zwei abgeschlossene Halbebenen 48, 50 sind in der Figur projizierend dargestellt. Die Halbebenen 48, 50 schneiden sich in einer Gerade, welche die beide Halbebenen 48, 50 in Ebenen, in welchen sich die Halbebenen 48, 50 erstrecken, begrenzen. Die Gerade schneidet die Spuleneinheit mittig. Die Halbebene 48 schneidet das Betätigungselement 14 mittig, die andere Halbebene 50 schneidet das Betätigungselement 12 mittig.
3 zeigt die Betätigungsvorrichtung in einem Schnitt entlang der Halbebenen 48, 50 (2), so dass die Spuleneinheit 16 und die Betätigungselemente 12, 14 sichtbar sind. Die Spuleneinheit 16 weist die Spule 17 auf. Die Betätigungselemente 12, 14 befinden sich in den stabilen Positionen 28, 29. Die Spule 17 kann an einer Stelle in einer Richtung orthogonal zu der Betätigungsrichtung 22 (1) Strom führen und damit einen Betätigungsvorgang eines der Betätigungselemente 12, 14 auslösen. Die Spule 17 kann ebenfalls in der zu der orthogonalen Richtung entgegengesetzten Richtung Strom führen und damit einen Betätigungsvorgang des anderen Betätigungselements 12, 14 auslösen.
4 zeigt die Betätigungsvorrichtung in einem wie in 3 ausgeführten Schnitt. Das Betätigungselement 12 ist vollständig in die Betätigungsrichtung 22 ausgelenkt. Es ist daher in der stabilen Position 34 angeordnet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10211395 A1 [0002]

Claims

Betätigungsvorrichtung mit wenigstens einer elektrischen und/oder elektromagnetischen Betätigungseinheit (10), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei von unterschiedlichen Betätigungselementen (12, 14) der Betätigungseinheit (10) ausgeführte Betätigungsvorgänge zumindest zwei unterschiedlichen elektrischen und/oder elektromagnetischen Zuständen der Betätigungseinheit (10) zugeordnet sind.
Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungsvorgänge unterschiedlichen Stromflussrichtungen zugeordnet sind.
Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinheit wenigstens eine Spuleneinheit (16) aufweist, die zur Bestromung mit unterschiedlichen Stromflussrichtungen vorgesehen ist.
Betätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinheit wenigstens eine Beschleunigungseinheit (18) aufweist, welche dazu vorgesehen ist, wenigstens eines der Betätigungselemente (12, 14) zu beschleunigen.
Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungseinheit (18) mit einer Spuleneinheit (16) der Betätigungseinheit (10) zumindest teilweise identisch ist.
Betätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Betätigungselemente (12, 14) ein aktives magnetisches Element (20, 21) aufweist.
Betätigungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Betätigungsvorgänge identischen Betätigungsrichtungen (22, 24) zugeordnet sind, wobei die identischen Betätigungsrichtungen (22, 24) zugeordneten Betätigungsvorgänge zwei unterschiedlichen der Betätigungselemente (12, 14) zugeordnet sind.
Betätigungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinheit (10) zumindest ein magnetisches, elektrisches und/oder elektromagnetisches Stabilisierungselement (26, 27) umfasst, welches dazu vorgesehen ist, ein Verbleiben wenigstens eines der Betätigungselemente (12, 14) in zumindest einer stabilen Position (28, 29, 34) zu bewirken.
Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinheit ein aktives magnetisches Element (20, 21) aufweist, welches wenigstens teilweise mit dem Stabilisierungselement (26, 27) identisch ist.
Betätigungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinheit (10) eine Sicherungseinheit (30) aufweist, welche dazu vorgesehen ist, zu einem Betriebszeitpunkt ausschließlich einem der Betätigungselemente (12, 14) einen der Betätigungsvorgänge zu erlauben.
Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinheit wenigstens eine Spuleneinheit (16) und wenigstens ein aktives magnetisches Element (20, 21) aufweist, welche zusammen wenigstens teilweise die Sicherungseinheit (30) bilden.
Betätigungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinheit (10) wenigstens ein mechanisches, pneumatisches und/oder hydraulisches Energiespeicherelement (32) aufweist, welches dazu vorgesehen ist, bei einem Betätigungsvorgang wenigstens eines der Betätigungselemente (12, 14) zu beschleunigen.
Betätigungsverfahren, insbesondere mit einer Betätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens zwei zumindest zwei unterschiedlichen elektrischen und/oder elektromagnetischen Zuständen zugeordnete und von unterschiedlichen Betätigungselementen (12, 14) der Betätigungseinheit (10) ausgeführte Betätigungsvorgänge ausgeführt werden.